JP2003188101A - 結晶成長方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 有機金属気相成長結晶法を用い、凸部と凹部
の幅に粗密のある段差状ストライプ・パターンを有する
基板上に、ＧａＮを選択成長させ、転位やクラックの少
ない、高品質の結晶を実現する。 【解決手段】 原料ガス及び搬送ガスをガス導入口より
導入し、これを高温のサセプタ上に誘導し、サセプタ上
に設置したウエハー上において所望の堆積膜を堆積させ
る有機金属気相成長結晶法を用い、ストライプ・パター
ンの長手方向を（１１１）シリコン基板１の＜−１−１
２＞方向にとり、これに垂直な凹凸のある方向を（１１
１）シリコン基板の＜１−１０＞方向にとった、凸部２
と凹部３の幅に粗密のある段差状ストライプ・パターン
構造を有する（１１１）シリコン基板上に、ＧａＮ結晶
６を、凸部表面４から選択成長させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、反応させるべき原
料ガス及びこれを搬送するガスを、ガス導入口より導入
し、これを化学反応を生起するに十分な高温のサセプタ
上に誘導し、サセプタ上に設置したウエハー上において
化学反応に由来する所望の堆積膜を堆積させることを目
的とした有機金属気相成長結晶法を用い、凸部と凹部の
幅に粗密のある段差状ストライプ・パターン構造を有す
るシリコン基板上に、ＧａＮを選択成長させることを特
徴とする結晶成長方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】Al、Ga、In等のIII族元素とV族元素との
化合物である半導体は、ワイドギャップを有する直接遷
移型半導体であり、可視から紫外域の発光材料として、
最も有望であると考えられる。これら、光半導体デバイ
スの材料となる、窒化ガリウムGaN等の、結晶学的に優
れた制作手法が求められている。ＭＯＶＰＥ（Metalorg
anic Vapor Phase Epitaxy）法は、これを産業レベルで
実現できる有力な手法として、各方面で研究開発が進め
られている。

【０００３】例えば、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ等の窒化
物半導体の結晶成長を考える。このための結晶成長用基
板としては、結晶構造がウルツ鉱型である、窒化物半導
体と同じ六回対称で、耐熱性に優れ、比較的大面積の単
結晶が入手しやすいサファイアやシリコンカーバイト
（６Ｈ−ＳｉＣ等）が用いられ、低温バッファ層堆積技
術や選択成長技術等を用いて、高品質エピタキシャル薄
膜作成の研究開発がなされている。ところが、サファイ
アを基板として用いた場合、その上に成長した例えばＧ
ａＮ結晶のへき開方向が、サファイアを基板のへき開方
向と異なるため、レーザーダイオードの作成において、
共振器ミラーの作製に一般的な方法であるへき開法を用
いるのが困難であることや、サファイア基板が絶縁体材
料であるために、裏面電極を形成することができない
等、デバイス構造作製上の問題点が存在する。一方、シ
リコンカーバイト（６Ｈ−ＳｉＣ等）は、ＧａＮ結晶と
へき開面が一致するなど、多くの利点を有し、有望であ
る。しかし、ＳｉＣは一般に高価であり、大面積基板を
入手することが困難であること、また結晶多形が存在す
ること等の課題が存在する。

【０００４】上記課題を解決するために、シリコン基板
上に、ＧａＮをＭＯＶＰＥ法を用いて選択成長させる結
晶成長方法が検討されている。シリコンは、これまで最
も研究されている半導体材料であり、大面積高品質の基
板を入手することができる。さらに、導電性の制御が容
易に行えること、また加工技術が発達していることな
ど、多くの利点を有している。この、シリコン基板上へ
のＧａＮ結晶成長が実現されると、ＧａＮ系窒化物半導
体で実現される半導体レーザや発光ダイオードなどの光
デバイスと、シリコンで実現される電子デバイスを、１
チップ上に融合させることが可能となってくる。

【０００５】具体的試みとして、例えば、（１１１）シ
リコン基板上に、シリコン酸化膜をスパッタリングし、
その後、２００ミクロン四方程度の窓を格子状に開けた
り、あるいは（００１）シリコンの７度オフ基板等を用
い、シリコン酸化膜のストライプ・パターンをマスクと
して形成することにより、選択成長の基板として用い、
検討が行われていた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、シリコ
ンとＧａＮとの間には、格子定数や熱膨張係数の大きな
違いが存在するために、依然として、クラックや転位の
発生等の課題が存在していた。

【０００７】本発明は上記問題点に鑑み、凸部と凹部の
幅に粗密のある段差状ストライプ・パターンを有するシ
リコン基板上に、ＧａＮを選択成長させることを特徴と
する結晶成長方法を提供するものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに、本発明の結晶成長方法においては、以下のような
手段を用いる。

【０００９】すなわち、反応させるべきトリメチルガリ
ウム（ＴＭＧ）やアンモニア等の原料ガス及びこれを搬
送するガスを、ガス導入口より導入し、これを化学反応
を生起するに十分な高温のサセプタ上に誘導し、サセプ
タ上に設置したウエハー上において化学反応に由来する
所望のＧａＮ堆積膜を堆積させることを目的とした有機
金属気相成長法を用い、凸部と凹部の幅に粗密のある段
差状ストライプ・パターン構造を有するシリコン基板上
に、ＧａＮを選択的に結晶成長させる。ストライプ・パ
ターンの長手方向をシリコン基板の＜−１−１２＞方向
にとり、これに垂直な凹凸のある方向をシリコン基板の
＜１−１０＞方向にとる方法が有効である。また、凸部
を、上辺よりも底辺の方が長い台形形状にすることによ
り、転位の発生を大きく減少させることができ有効であ
る。さらに、凸部及び凹部の幅が、０．１ミクロンから
５０ミクロンである方法が有効である。隣接する凸部領
域の上辺の幅と凹部領域の上辺の幅の比がほぼ一定とな
るようにすることも、平坦性向上に対して有効である。
凸部表面を除き、シリコン基板表面を窒化した後、Ｇａ
Ｎを選択成長させる方法が有効である。加えて、Ｍｇを
ドーピングさせながらＧａＮを選択成長させる方法も有
効である。

【００１０】一方、段差状パターン構造として、上述の
１次元ストライプ・パターン構造のみならず、２次元多
角形格子状に形成された、凸部と凹部の幅に粗密のある
段差状ストライプ・パターンを有するシリコン基板上
に、ＧａＮを選択成長させても有効である。この際、２
次元多角形格子の一辺を構成するストライプ・パターン
の方向を、シリコン基板の＜１−１０＞方向と異なる方
向にとることが有効である。２次元多角形格子として、
三角形状を採用する場合には、その一辺を構成するスト
ライプ・パターンの方向が、シリコン基板の＜−１−１
２＞方向にとることが有効である。さらに、２次元多角
形格子として、六角形状を採用する場合にも、同様に、
その一辺を構成するストライプ・パターンの方向が、シ
リコン基板の＜−１−１２＞方向にとることが有効であ
る。凹部パターンの領域が広い場合には、凹部領域の中
央近傍に、補助的に多角形状の小さい凸部パターンを、
配置させることが有効である。

【００１１】本発明は上述した構成によって、シリコン
基板上に、ＧａＮを選択的に結晶成長させることによ
り、転位やクラックが少なく、かつ平坦性の優れた高品
質のＧａＮ結晶膜を作成することが可能となる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例について、
図面を参照しながら説明する。

【００１３】ここで、図１は、本発明の第１の実施例に
おける結晶成長方法を実現するための（１１１）シリコ
ン段差基板を示した構成図である。選択成長用シリコン
基板は、凸部と凹部の幅に粗密のある段差状ストライプ
・パターンで構成され、この基板上にＭＯＶＰＥ法を用
いて、ＧａＮ結晶を選択成長させる。また、図２は、本
発明の第１の実施例における選択成長を、図１と組み合
わせて説明するための図である。（１１１）シリコン段
差基板の凸部を、矩形から、上辺幅を底辺幅より小さく
した台形形状にする方法が示されている。これにより、
機械的強度を維持しながら、転位発生の源となる凸部上
辺の幅を減らすことにより、転位の発生を大きく減少さ
せることができる。次に、図３は、本発明の第２の実施
例における結晶成長方法をを実現するための（１１１）
シリコン段差基板を示した構成図である。２次元矩形格
子状に形成された、凸部と凹部の幅に粗密のある段差状
ストライプ・パターンで構成されている。また、図４
は、本発明の第２の実施例における結晶成長方法を実現
するための（１１１）シリコン段差基板を示した構成図
である。２次元多角形格子として、三角形状を採用し、
その一辺を構成するストライプ・パターンの方向が、シ
リコン基板の＜−１−１２＞方向にとるように構成され
ている。さらに、図５は、本発明の第２の実施例におけ
る結晶成長方法を実現するための（１１１）シリコン段
差基板を示した構成図である。２次元多角形格子とし
て、六角形状を採用し、その一辺を構成するストライプ
・パターンの方向が、シリコン基板の＜−１−１２＞方
向にとるように構成されている。

【００１４】（実施例の説明）以下本発明の第一の実施
例である、結晶成長方法について、図面を参照しながら
説明する。図１は本発明の結晶成長方法を示した構成図
である。選択成長用シリコン基板は、凸部２と凹部３の
幅に粗密のある段差状ストライプ・パターンである。上
面図及び断面図が示されている。ストライプ・パターン
の長手方向を（１１１）シリコン基板１の＜−１−１２
＞方向にとり、これに垂直な凹凸のある方向を（１１
１）シリコン基板の＜１−１０＞方向にとっている。
（１１１）シリコン基板は、リンがドープされたｎ型基
板である。凸部領域に相当する領域をレジストマスクに
て被覆した後、ドライエッチングにより、図１におい
て、Ｌ１＝１ミクロン、Ｌ２＝２ミクロン、Ｌ３＝３ミ
クロン、Ｓ１＝２ミクロン、Ｓ２＝４ミクロン、Ｓ３＝
６ミクロンの幅寸法となるように、凹凸段差構造を作成
した。その後、凸部表面を除く領域に対して、窒化処理
を行い、凸部表面４を除くシリコン基板表面に窒化膜５
を形成する。レジストマスクを除去後、有機溶媒中での
超音波洗浄、フッ酸による酸化膜除去、ＲＣＡ洗浄等を
行った。

【００１５】上記の選択成長用シリコン基板を用い、Ｍ
ＯＶＰＥ法により、まずＡｌＧａＮを薄く成長させた。
すなわち、シリコン基板をサーマルクリーニングの後、
アンモニア、ＴＭＧ，及びトリメチルアルミニウム（Ｔ
ＭＡ）を結晶炉内に同時に供給し、３分間成長させた。
成長温度は１３５０Ｋである。凸部表面を除く窒化され
たシリコン基板表面においては、結晶成長は進行せず、
シリコン表面が現れた凸部のみから結晶成長が進行し
た。次に、アンモニア及びＴＭＧを結晶炉内に同時に供
給し、成長温度を１２７０Ｋにて、ＧａＮを１時間成長
させた。図１の断面図において、右半分のみに、凸部表
面から成長を始めたＧａＮ結晶６が、基板面に平行な横
方向への成長が主体となって成長しながら、凹部中央付
近にて合体する様子が示されている。合体後、上部への
成長が進んだ。このようにして、膜厚１．５ミクロン
の、ほぼ平坦なＧａＮが、凹部に気体のみで構成される
空間９を形成しながら、成長形成された。この方法を用
いることにより、比較的、密に凸部ストライプ・パター
ンが並んでいる領域において、成長させたＧａＮ結晶を
十分な機械的強度を維持しながら支えることができた。
また、この凸部ストライプ・パターンが密に並んでいる
領域すべてを凸部パターン領域にする場合に比べて、こ
の領域から発生する転位を減らせることができた。一
方、凹部の上部においては、転位やクラックの少ない、
高品質の結晶が得られた。

【００１６】また、凸部を、図２に示すように、矩形か
ら、上辺幅を底辺幅より小さくした台形形状７にするこ
とにより、機械的強度を維持しながら、転位発生の源と
なる凸部上辺の幅を減らすことにより、転位の発生を大
きく減少させることができた。さらに、このように、凸
部を台形形状にすることにより、凸部側面８における窒
化膜５の形成を、より容易に行うことができた。なお、
凸部幅Ｌ及び凹部幅Ｓは、０．１ミクロンから５０ミク
ロンに対しても、十分に良い効果が得られた。さらに、
隣接する凸部領域の上辺の幅と凹部領域の上辺の幅の比
Ｌ／Ｓが、どの部分においてもほぼ一定となるようにす
ると、特に成長した結晶膜の平坦性向上に対して有効で
あった。また、ＭｇをドーピングさせながらＧａＮを選
択成長させることも、平坦なＧａＮ結晶膜の形成に対し
て有効であった。

【００１７】以下本発明の第二の実施例である結晶成長
方法について、図面を参照しながら説明する。図３は本
発明の結晶成長方法を示した構成図である。選択成長用
シリコン基板は、２次元矩形格子状に形成された、凸部
と凹部の幅に粗密のある段差状ストライプ・パターンで
ある。上面図のみが示されている。断面形状は第一の実
施例を示した図１及び図２と同様である。ストライプ・
パターンの２つの方向は、シリコン基板の＜−１−１２
＞方向、及びこれに垂直なシリコン基板の＜１−１０＞
方向にとっている。（１１１）シリコン基板は、リンが
ドープされたｎ型基板である。凸部領域をレジストマス
クにて被覆した後、ドライエッチングにより、図３にお
いて、Ｌ１＝０．５ミクロン、Ｌ２＝２ミクロン、Ｌ３
＝３．５ミクロン、Ｓ１＝２ミクロン、Ｓ２＝４ミクロ
ン、Ｓ３＝６ミクロン、Ｗ１＝０．５ミクロン、Ｗ２＝
２ミクロン、Ｗ３＝３．５ミクロン、Ｐ１＝２ミクロ
ン、Ｐ２＝４ミクロン、Ｐ３＝６ミクロンの幅寸法で、
２次元矩形格子状凹凸段差構造を作成した。その後、凸
部表面を除く領域に対して、窒化処理を行った。レジス
トマスクを除去後、有機溶媒中での超音波洗浄、フッ酸
による酸化膜除去、ＲＣＡ洗浄等を行った。上記の選択
成長用シリコン基板を用い、ＭＯＶＰＥ法により、まず
ＡｌＧａＮを薄く成長させた。すなわち、シリコン基板
をサーマルクリーニングの後、アンモニア、ＴＭＧ，及
びトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を結晶炉内に同時
に供給し、３分間成長させた。成長温度は１３７０Ｋで
ある。凸部表面を除く窒化されたシリコン基板表面にお
いては、結晶成長は進行せず、シリコン表面が現れた凸
部のみから結晶成長が進行した。次に、アンモニア及び
ＴＭＧを結晶炉内に同時に供給し、成長温度を１２８０
Ｋにて、ＧａＮを１時間成長させた。図には示していな
いが、窒化膜の形成されていない凸部表面から成長を始
めたＧａＮ結晶は、基板面に平行な横方向への成長が主
体となって成長しながら、凹部中央付近にて合体し、そ
の後、上部への成長が進んだ。このようにして、膜厚
２．１ミクロンの、ほぼ平坦なＧａＮが、凹部に気体の
みで構成される空間を形成しながら、成長形成された。
この方法を用いることにより、比較的、密に凸部ストラ
イプ・パターンが並んでいる領域において、成長させた
ＧａＮ結晶を十分な機械的強度を維持しながら支えるこ
とができた。また、この凸部ストライプ・パターンが密
に並んでいる領域すべてを凸部パターン領域にする場合
に比べて、この領域から発生する転位を減らせることが
できた。一方、凹部の上部においては、転位やクラック
の少ない、高品質の結晶が得られた。

【００１８】また、凸部を、図２に示すように、矩形か
ら、上辺幅を底辺幅より小さくした台形形状７にするこ
とにより、機械的強度を維持しながら、転位発生の源と
なる凸部上辺の幅を減らすことにより、転位の発生を大
きく減少させることができた。さらに、このように、凸
部を台形形状にすることにより、凸部側面８における窒
化処理を、より容易に行うことができた。なお、凸部幅
Ｌ、Ｗ及び凹部幅Ｓ、Ｐは、０．１ミクロンから５０ミ
クロンに対しても、十分に良い効果が得られた。さら
に、隣接する凸部領域の上辺の幅と凹部領域の上辺の幅
の比Ｌ／Ｓ及びＷ／Ｐが、どの部分においてもほぼ一定
となるようにすると、特に成長した結晶膜の平坦性向上
に対して有効であった。また、Ｍｇをドーピングさせな
がらＧａＮを選択成長させることも、平坦なＧａＮ結晶
膜の形成に対して有効であった。

【００１９】２次元格子形状として、矩形格子状以外
の、より一般的な多角形格子形状についても検討した。
この結果、２次元多角形格子の一辺を構成するストライ
プ・パターンの方向を、シリコン基板の＜１−１０＞方
向と異なる方向にとることが、より平坦な高品質の結晶
膜成長に有効であることが判明した。図４に示すよう
に、２次元多角形格子として、三角形状を採用する場合
には、その一辺を構成するストライプ・パターンの方向
が、シリコン基板の＜−１−１２＞方向にとることが有
効であった。これにより、２次元三角形格子の他の二辺
を構成するストライプ・パターンの方向を、シリコン基
板の＜１−１０＞方向と十分に異なる方向にとることが
でき、より平坦な高品質の結晶膜成長をおこなうことが
できた。さらに、図５に示すように、２次元多角形格子
として、六角形状を採用する場合にも、同様に、その一
辺を構成するストライプ・パターンの方向が、シリコン
基板の＜−１−１２＞方向にとることが有効であった。
これにより、２次元六角形格子の他の五つの辺を構成す
るストライプ・パターンの方向を、シリコン基板の＜１
−１０＞方向と十分に異なる方向にとることができ、よ
り平坦な高品質の結晶膜成長をおこなうことができた。

【００２０】なお、凹部パターンの領域が広い場合に
は、凹部領域の中央近傍に、補助的に多角形状の小さい
凸部パターンを、配置させることが機械的強度の維持の
ために有効であった。

【００２１】

【発明の効果】以上のように、本発明の結晶成長方法を
用いて、シリコン段差基板上に、ＧａＮを選択的に結晶
成長させることにより、転位やクラックが少なく、かつ
平坦性の優れた高品質のＧａＮ結晶膜を作成することが
可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例における結晶成長方法を
実現するための（１１１）シリコン段差基板を示した構
成図

【図２】本発明の第１の実施例における選択成長を、図
１と組み合わせて説明するための図

【図３】本発明の第２の実施例における結晶成長方法を
を実現するための（１１１）シリコン段差基板を示した
構成図

【図４】本発明の第２の実施例における結晶成長方法を
実現するための（１１１）シリコン段差基板を示した構
成図

【図５】本発明の第２の実施例における結晶成長方法を
実現するための（１１１）シリコン段差基板を示した構
成図

【符号の説明】

１ （１１１）シリコン基板 ２ 段差凸部 ３ 段差凹部 ４ 凸部表面 ５ 窒化膜 ６ ＧａＮ結晶 ７ 台形形状 ８ 凸部側面 ９ 凹部に気体のみで構成される空間

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5F045 AA04 AB09 AB14 AC01 AC08 AC19 AD16 AD17 AF03 AF12 BB12 BB13 CA09 DB02 DB04

Claims (17)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 反応させるべき原料ガス及びこれを搬送
   するガスを、ガス導入口より導入し、これを化学反応を
   生起するに十分な高温のサセプタ上に誘導し、サセプタ
   上に設置したウエハー上において化学反応に由来する所
   望の堆積膜を堆積させることを目的とした有機金属気相
   成長結晶法を用い、凸部と凹部の幅に粗密のある段差状
   ストライプ・パターン構造を有するシリコン基板上に、
   ＧａＮを選択成長させることを特徴とする結晶成長方
   法。
2. 【請求項２】 ストライプ・パターンの長手方向をシリ
   コン基板の＜−１−１２＞方向にとり、これに垂直な凹
   凸のある方向をシリコン基板の＜１−１０＞方向にとる
   ことを特徴とする請求項１に記載の結晶成長方法。
3. 【請求項３】 凸部を、上辺よりも底辺の方が長い台形
   形状にすることを特徴とする請求項１または２に記載の
   結晶成長方法。
4. 【請求項４】 凸部及び凹部の幅が、０．１ミクロンか
   ら５０ミクロンであることを特徴とする請求項１から３
   のいずれかに記載の結晶成長方法。
5. 【請求項５】 隣接する凸部領域の上辺の幅と凹部領域
   の幅の比がほぼ一定となるようにすることを特徴とする
   請求項１から４のいずれかに記載の結晶成長方法。
6. 【請求項６】 凸部の上部表面を除き、シリコン基板表
   面を窒化した後、ＧａＮを選択成長させることを特徴と
   する請求項１から５のいずれかに記載の結晶成長方法。
7. 【請求項７】 ＭｇをドーピングさせながらＧａＮを選
   択成長させることを特徴とする請求項１から６のいずれ
   かに記載の結晶成長方法。
8. 【請求項８】 反応させるべき原料ガス及びこれを搬送
   するガスを、ガス導入口より導入し、これを化学反応を
   生起するに十分な高温のサセプタ上に誘導し、サセプタ
   上に設置したウエハー上において化学反応に由来する所
   望の堆積膜を堆積させることを目的とした有機金属気相
   成長結晶法を用い、２次元多角形格子状に形成された、
   凸部と凹部の幅に粗密のある段差状ストライプ・パター
   ンを有するシリコン基板上に、ＧａＮを選択成長させる
   ことを特徴とする結晶成長方法。
9. 【請求項９】 ２次元多角形格子の一辺を構成するスト
   ライプ・パターンの方向を、シリコン基板の＜１−１０
   ＞方向と異なる方向にとることを特徴とする請求項８に
   記載の結晶成長方法。
10. 【請求項１０】 ２次元多角形格子の形状が三角形状で
    あり、その一辺を構成するストライプ・パターンの方向
    が、シリコン基板の＜−１−１２＞方向であることを特
    徴とする請求項８または９に記載の結晶成長方法。
11. 【請求項１１】 ２次元多角形格子の形状が六角形状で
    あり、その一辺を構成するストライプ・パターンの方向
    が、シリコン基板の＜−１−１２＞方向であることを特
    徴とする請求項８または９に記載の結晶成長方法。
12. 【請求項１２】 凸部を、上辺よりも底辺の方が長い台
    形形状にすることを特徴とする請求項８から１１のいず
    れかに記載の結晶成長方法。
13. 【請求項１３】 凹部パターンの広い領域に、補助的に
    多角形状の小さい凸部パターンを、補助的に配置させる
    ことを特徴とする請求項８から１２のいずれかに記載の
    結晶成長方法。
14. 【請求項１４】 凸部及び凹部の幅が、０．１ミクロン
    から５０ミクロンであることを特徴とする請求項８から
    １３のいずれかに記載の結晶成長方法。
15. 【請求項１５】 隣接する凸部領域の上辺の幅と凹部領
    域の幅の比がほぼ一定となるようにすることを特徴とす
    る請求項８から１４のいずれかに記載の結晶成長方法。
16. 【請求項１６】 凸部の上部表面を除き、シリコン基板
    表面を窒化した後、ＧａＮを選択成長させることを特徴
    とする請求項８から１５のいずれかに記載の結晶成長方
    法。
17. 【請求項１７】 ＭｇをドーピングさせながらＧａＮを
    選択成長させることを特徴とする請求項８から１６のい
    ずれかに記載の結晶成長方法。